植物可以对其遗传物质进行重新编程
植物可以对其遗传物质进行重新编程,以对病原体产生防御性反应,这可能适用于农业。植物抵抗病原体的复杂分子途径中缺失的环节已经由KAUST的Heribert Hirt领导的国际团队确定。这一发现突出了一种潜在的机制,可以用来“接种”作物以抵抗疾病。
植物防御由编码蛋白质的DNA制成的基因控制。DNA被包装成称为染色质的聚集体,其形状影响基因是否可用于蛋白质构建。染色质结构的变化是表观遗传的 - 可能遗传而不改变DNA序列本身 - 并且与病原体攻击有关。
病原体产生称为微生物相关分子模式(MAMPs)的小分子,植物通过二分受体蛋白识别:第一部分感知植物细胞外的MAMP并刺激细胞内的第二部分起作用。后者是一种激酶,一种将磷酸基团转移到靶分子上的酶(磷酸化),其作用是有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPKs)之间MAMP触发的磷酸化序列中的第一个。Hirt现在是KAUST的植物科学教授,他于1997年发现了这些。
MAPK与表观遗传染色质修饰之间的联系一直难以捉摸,直到Hirt团队的新发现,其中包括助理教授Moussa Benhamed,几位博士后和大学沙漠农业倡议的硕士生。
使用模式物种拟南芥(Arabidopsis thaliana),研究人员使用细菌MAMP激活MAPK。然后,在一系列被称为“磷酸化蛋白质组学管道”的实验中,他们寻找磷酸化事件。他们发现,链中的最终MAPK MPK3磷酸化了一种酶,组蛋白去乙酰化酶(HD2B),它调节DNA压缩成染色质。
研究小组表明,在缺乏MPK3或HD2B的突变体拟南芥中,许多基因,包括防御基因,活性都有所增加。这表明,HD2B通常会抑制基因活性。在病原体攻击下,MPK3对HD2B的作用逆转了这种压制。
使用荧光标记的HD2B,该团队表明,MPK3磷酸化使HD2B从一个细胞位置移动到另一个细胞位置,从而结合不同的染色质区域。该途径释放一组基因并阻断第二组,从根本上改变细胞的分子构成。这种表观遗传重编程快速且可逆,使植物能够快速响应不断变化的条件并保留分子记忆,从而加快对未来病原体的反应。根据Hirt的说法,“表观遗传机制是选择的机制......所有植物都会出现这种现象,以应对所有类型的MAMP和病原体。”
Hirt认为激酶触发的染色质重编程是一种普遍的机制,他热衷于人为刺激这一过程的可能性。“一旦我们更好地了解诱导病原体记忆的机制,我们就可以诱导长期抗药性,类似于人类疫苗接种,”他建议道。“我们正在进入一个新时代,研究表观遗传学在植物压力记忆中的作用。”
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